【正文】 入暫穩(wěn)狀態(tài)。隨著電容器C放電的進(jìn)行電位上升，當(dāng)達(dá)到時(shí)，與非門重新開啟，輸出變?yōu)榈碗娖?，暫穩(wěn)狀態(tài)結(jié)束。該過程中輸出端U0波形為起始于繞組斷開時(shí)刻的正脈沖[19]。調(diào)速是電動(dòng)自行車不可缺少的一個(gè)功能。該系統(tǒng)調(diào)速功能的實(shí)現(xiàn)是在手柄上安裝一個(gè)光藕可調(diào)電阻，由手動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。在實(shí)驗(yàn)中用的是電位器，接在0～5V之間，給出一個(gè)模擬電壓，經(jīng)過簡(jiǎn)單的濾波環(huán)節(jié)后接到單片機(jī)的ADC引腳上。K點(diǎn)的電壓Uk將隨著可調(diào)電阻位置的變換而變換，向上調(diào)，Uk值增大。向下調(diào)，Uk值減小。[14]ATmega8在軟件上能有效支持C語(yǔ)言及匯編語(yǔ)言。C語(yǔ)言目前已成為設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)言，它既有普通高級(jí)語(yǔ)言結(jié)構(gòu)化編程、可讀性好、維護(hù)方便的特點(diǎn)，又具有匯編等低級(jí)語(yǔ)言對(duì)硬件訪問方便、代碼效率高的特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)是用C語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)的，具有很好的可移植性。[16]本設(shè)計(jì)采用的逆變電路位三相全橋式逆變器，其工作方式為120176。導(dǎo)通型星形三相六狀態(tài)。功率開關(guān)管選用高速型MOSFET器件IRF540，它內(nèi)阻低、熱阻小，因此運(yùn)行功耗低，很適合輸出級(jí)使用，具體參數(shù)如下:VDS=100V, VDGR=500V，ICM =28A ,RDS=，PWM=150W。驅(qū)動(dòng)電路采用的是美國(guó)IR公司最新6單元驅(qū)動(dòng)集成電路IR2131S。該電路為28腳雙列直插元件，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，保護(hù)功能齊全。，VB1～VB3是懸浮電源連接端，通過自舉電容為3個(gè)上橋臂功率管的驅(qū)動(dòng)器提供內(nèi)部懸浮電源。VB1～VB3是其對(duì)應(yīng)的懸浮電源地端。HINI～HIN3, LINI～LIN3為逆變器上橋臂和下橋臂功率管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端，低電平有效。ITRIP是過流信號(hào)檢測(cè)輸入端，可通過輸入電流信號(hào)來(lái)完成過流或者直通保護(hù):HO1～H03, LO1～L03是逆變器上下橋臂功率開關(guān)器件驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出端。FAULT為過流、直通短路、過壓、欠壓保護(hù)輸出端，該端提供一個(gè)故障保護(hù)的指示信號(hào)。 IR2131S正常工作時(shí)，輸入的6路驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)輸入信號(hào)處理器處理后變?yōu)?路輸出脈沖。驅(qū)動(dòng)下橋臂功率管的信號(hào)LO1 ～LO3經(jīng)輸出驅(qū)動(dòng)器功放后直接送往被驅(qū)動(dòng)功率器件。而驅(qū)動(dòng)上橋臂功率管的信號(hào)H01～HO3先經(jīng)集成于IR2131S內(nèi)部的3個(gè)脈沖處理器和電平移位器中的自舉電路進(jìn)行電位變換，變?yōu)?路電位懸浮的驅(qū)動(dòng)脈沖。再經(jīng)對(duì)應(yīng)的3路輸出鎖存器鎖存并經(jīng)嚴(yán)格的驅(qū)動(dòng)脈沖檢驗(yàn)后送到輸出驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行功放后才加到被驅(qū)動(dòng)的功率管。一旦外電流發(fā)生過流或者直通，則IRZI31S內(nèi)部的電流比較器迅速翻轉(zhuǎn)，促使故障邏輯處理單元輸出低電平，一則封鎖3路輸入脈沖信號(hào)處理器的輸出，使IR2131S的輸出全為低電平，保護(hù)功率管。另一方面FAULT腳輸出故障指示。由于本試驗(yàn)用的無(wú)刷直流電機(jī)功率小、直流電壓低，在此僅通過一個(gè)取樣電阻和運(yùn)放就可完成電流的檢測(cè)。同樣若發(fā)生工作電源欠壓，則欠壓檢閱器迅速翻轉(zhuǎn)，也會(huì)進(jìn)行類似動(dòng)作。當(dāng)IR2131S驅(qū)動(dòng)上橋臂的自舉電源工作電壓不足時(shí)，該路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)檢測(cè)器迅速動(dòng)作，封鎖其輸出，避免功率器件的損壞。當(dāng)逆變器同一橋臂上2個(gè)功率器件的輸入信號(hào)同時(shí)為高電平時(shí)，IR2131S輸出的2路門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)全為低電平，從而可靠地避免因橋臂直通而燒毀功率管的現(xiàn)象發(fā)生。故障發(fā)生后，IR2131S內(nèi)的故障邏輯處理單元的輸出將保持故障閉鎖狀態(tài)，故障信號(hào)通過FAULT腳送往單片機(jī)的外部中斷1，由ATmegaB在外部中斷處理子程序中及時(shí)對(duì)故障進(jìn)行處理。當(dāng)故障清除后，單片機(jī)需及時(shí)將CLR信號(hào)置為有效，以解除故障鎖閉狀態(tài)。 PWM波的控制單元在電機(jī)的控制系統(tǒng)中，PWM被用來(lái)控制開關(guān)器件的開關(guān)時(shí)間，為電機(jī)繞組提供所需的能量，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。提供給電機(jī)的電壓或者電流就是這種調(diào)制信號(hào)。要產(chǎn)生一個(gè)PPIM信號(hào)，需要有一個(gè)合適的定時(shí)器來(lái)重復(fù)產(chǎn)生一個(gè)與PWM周期相同的計(jì)數(shù)周期，一個(gè)比較寄存器保持著調(diào)制值。比較寄存器的值不斷與定時(shí)器計(jì)數(shù)器的值比較，當(dāng)兩個(gè)值匹配時(shí)，在相應(yīng)的輸出上就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)轉(zhuǎn)換(由高到低或由低到高)。當(dāng)兩個(gè)值之間的第二個(gè)匹配產(chǎn)生，或當(dāng)一個(gè)定時(shí)器周期結(jié)束時(shí)，相應(yīng)的就會(huì)在輸出上產(chǎn)生一個(gè)轉(zhuǎn)換。通過這種方法，所產(chǎn)生的輸出脈沖的開關(guān)時(shí)間就會(huì)與比較寄存器的值成比例。在每個(gè)定時(shí)周期中，這個(gè)過程都會(huì)出現(xiàn)，但每次比較寄存器中的調(diào)制值是不同的，這樣相應(yīng)的輸出就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)PWM信號(hào)[7]。本系統(tǒng)使用的控制芯片ATmega8有一個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1 (T/C1)可運(yùn)行于PWM模式，并利用PB1的第二功能一一(OC1A) T/C1輸出比較A匹配輸出口輸出相位、頻率可調(diào)的PWM波。定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1可以從晶振時(shí)鐘、預(yù)定比例晶振時(shí)鐘或外部引腳中選擇時(shí)鐘源，這可由T/C1控制寄存器B (TCCRIB)的低3位(CS12, CS11, CS10)進(jìn)行設(shè)置，如表41所示。表41 T/Cl的時(shí)鐘源選擇CS12CS11CS10說明000無(wú)時(shí)鐘源（T︱C1被停止）001CK（系統(tǒng)時(shí)鐘）010CK︱8（來(lái)自預(yù)分頻器）011CK︱64（來(lái)自預(yù)分頻器）100CK︱256（來(lái)自預(yù)分頻器）101CK︱1024（來(lái)自預(yù)分頻器）110外部T1腳，下降沿驅(qū)動(dòng)111外部T1腳，上升沿驅(qū)動(dòng)在T/C1的控制寄存器A (TCCRIA)中可以設(shè)置PWM為8位、9位或10位。當(dāng)T/C1處于PWM模式時(shí)，可以通過COM1A1和COMlA2位來(lái)設(shè)置PB1 (0C1)，如表42所示。 表42 OCl方式選擇COM1A1COM1A2在0C1上的作用00不連接01不連接10清比較匹配值，向上計(jì)數(shù)置比較匹配值，向下計(jì)數(shù)（PWM不翻轉(zhuǎn)）11清比較匹配值，向下計(jì)數(shù)置比較匹配值，向上計(jì)數(shù)（PWM翻轉(zhuǎn)）在相位、頻率可調(diào)PWM模式下，計(jì)數(shù)器為雙程計(jì)數(shù)器:從0x0000一直加TOP(可以為固定的8, 9, 10位)，在下一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖到達(dá)時(shí)，改變計(jì)數(shù)方向，從TOP開始減1計(jì)數(shù)到0x0000。計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)上限TOP值大/小決定了PWM輸出頻率的低/高，而比較寄存器的數(shù)值則決定了輸出脈沖的起始相位和脈寬。通過設(shè)置比較寄存器OCRlA/OCR1B的值，可以獲得不同占空比a的脈沖波形。 PWM波的輸出控制[7]從PB1口輸出的PWM波經(jīng)阻容濾波后輸入74LS08其中一個(gè)與門，該與門的輸出為其它三個(gè)與門的一路輸入，另外三個(gè)輸入分別由PB2, PB3, PB4控制，這三個(gè)口的輸出電平?jīng)Q定了某一時(shí)刻三路PWM波中的某一路傳送給驅(qū)動(dòng)電路IR2131S中相對(duì)應(yīng)的那路上橋臂驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端，使逆變器的上橋臂受控于PWM波，而下橋臂的通斷由單片機(jī)的另外三個(gè)I/0口PD4, PD5, PD6控制。于是就實(shí)現(xiàn)了上一章所設(shè)計(jì)的單極性PWM波調(diào)制模式。這六個(gè)口的電平變化是由單片機(jī)通過軟件檢查上一時(shí)刻的相位表，進(jìn)而決定下一時(shí)刻是哪兩個(gè)口輸出有效電平，使電機(jī)運(yùn)行的相位和速度得到高效的控制。 PWM波的輸出控制電路[9] 蓄電池電壓的檢測(cè)是實(shí)現(xiàn)對(duì)其容量監(jiān)控的關(guān)鍵，也是對(duì)電池進(jìn)行欠壓保護(hù)的有效途徑。本系統(tǒng)通過采樣電池的端電壓，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行簡(jiǎn)單濾波后輸入單片機(jī)的ADC口，用軟件進(jìn)行比對(duì)，當(dāng)小于某個(gè)設(shè)定值時(shí)，立即采取措施，關(guān)閉電源，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電池電壓的檢測(cè)及對(duì)蓄電池的必要保護(hù)。可靠性指標(biāo)是系統(tǒng)非常重要的一個(gè)指標(biāo)，它關(guān)系到系統(tǒng)的安全與具體實(shí)現(xiàn)問題。影響系統(tǒng)可靠性的因素既有外部的也有內(nèi)部的，外部的因素如電源干擾，空間電磁干擾，機(jī)械震動(dòng)等，內(nèi)部原因有元器件失效，內(nèi)部電磁干擾，電氣接觸不良，軟件故障等。本章詳細(xì)討論系統(tǒng)的硬件可靠性設(shè)計(jì)，在下一章在結(jié)合軟件設(shè)計(jì)討論軟件的可靠性設(shè)計(jì)。 影響本系統(tǒng)可靠性的硬件因素主要有:（1）電源及地線干擾。（2）電磁千擾。（3）電氣接觸不良等。針對(duì)這些問題，本系統(tǒng)采取了相應(yīng)的一些措施由設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)表明，微機(jī)系統(tǒng)的干擾相當(dāng)大的可能性是電源藕合造成的，在印刷電路板的電源線與地之間并接去藕電容是常見的作法。另外，集成芯片工作在高速數(shù)字邏輯條件下，頻繁的切換狀態(tài)也會(huì)對(duì)電源造成干擾，對(duì)芯片進(jìn)行去藕設(shè)計(jì)是電源去禍的重要部分，為此在每一個(gè)數(shù)字芯片的電源與地之間，都設(shè)計(jì)了一個(gè)去藕電容。本系統(tǒng)根據(jù)芯片或器件的工作電壓不盡相同的情況設(shè)計(jì)了多套電壓等級(jí)不同的電源，則采取措施對(duì)它們隔離是非常必要的。例如，用變壓器對(duì)高壓大電流的強(qiáng)電與實(shí)現(xiàn)控制的弱電部分進(jìn)行了很好的隔離。不僅不同的電源之間需要隔離，模擬部分與數(shù)字部分也需要隔離，容易接受干擾的信號(hào)與能夠產(chǎn)生千擾的信號(hào)線需要隔離，另外，高頻與低頻也要隔離，這在電路板的布局階段就應(yīng)該考慮到。本系統(tǒng)中，分別將電流采樣電路、位置檢測(cè)電路、PWM輸出電路、微處理器系統(tǒng)布局在不同區(qū)域，分別布線，這樣在不同電氣功能的電路之間實(shí)現(xiàn)了有效的隔離。一個(gè)設(shè)計(jì)良好的系統(tǒng)應(yīng)符合國(guó)際電磁兼容(EMC)標(biāo)準(zhǔn)，即系統(tǒng)應(yīng)有一定的抗電磁干擾能力，同時(shí)，它的運(yùn)行又不能對(duì)周圍其它系統(tǒng)或器件造成損壞。電力電子器件本身就是一個(gè)強(qiáng)電磁干擾源，對(duì)系統(tǒng)中的其它部件造成干擾，因此，抗電磁干擾設(shè)計(jì)是一個(gè)必須認(rèn)真考慮的問題。在本系統(tǒng)中，為了增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，在比較重要的信號(hào)支路上，均設(shè)計(jì)了硬件濾波器，使系統(tǒng)對(duì)來(lái)自空間的電磁輻射影響降到了最低。在將來(lái)的設(shè)計(jì)中，將增加屏蔽裝置，使系統(tǒng)的電磁兼容能力得到進(jìn)一步提高。另外，電氣接觸不良也會(huì)給系統(tǒng)的可靠性帶來(lái)問題，例如，本系統(tǒng)在第一次制板時(shí)，因?yàn)閱纹瑱C(jī)的插座與芯片本身接觸不好，使系統(tǒng)時(shí)好時(shí)壞，給調(diào)試增加了不少困難。后來(lái)改進(jìn)后系統(tǒng)的可靠性就有了很大改善。此外，器件的選擇也是可靠性要解決的問題，要充分考慮到系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，不能只考慮降低成本?？傊?，導(dǎo)致系統(tǒng)不正常運(yùn)行的硬件因素有很多，可靠性的設(shè)計(jì)也不是一次就能全部解決的，需要設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)和不斷探索，特別是微機(jī)控制系統(tǒng)，原因很多，有時(shí)需要硬件與軟件協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)才能解決問題。第五章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主程序要完成系統(tǒng)初始化(如設(shè)置“看門狗”、PWM, ADC等單元)，中斷設(shè)置，變量初始化和電機(jī)的軟起動(dòng)過程。為了在初始化的過程中，防止中斷的意外到來(lái)，應(yīng)在主程序的開始處先關(guān)閉中斷，完成初始化后，再打開中斷。完成軟起動(dòng)后，主程序進(jìn)入一個(gè)查詢操作的循環(huán)過程，程序不斷地查詢判斷換相更新標(biāo)志是否為真，若為真則調(diào)用換相服務(wù)子程序以給電機(jī)相應(yīng)定子繞組饋電。若為假則等待換相更新標(biāo)志在 ADC轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷子程序中置為真[20]。換相更新標(biāo)志是否為真N否則等待中斷發(fā)生Y關(guān)中斷開始系統(tǒng)初始化開中斷變量初始化電機(jī)軟啟動(dòng)更新標(biāo)志復(fù)位為零調(diào)用換相服務(wù)子程序從換相服務(wù)子程序返回 轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè)主要是利用PC3, PC4, PCS引腳的第二功能(數(shù)模轉(zhuǎn)換功能ADC)。當(dāng)端口接收到位置信號(hào)后，有采樣保持電路確保輸入電壓在轉(zhuǎn)換過程中保持恒定，然后ADC通過逐次比較方式，將輸入端的模擬電壓轉(zhuǎn)換成10位的數(shù)字量。當(dāng)轉(zhuǎn)換完成時(shí)，ADC的中斷將被觸發(fā)，進(jìn)入中斷服務(wù)程序，讀三個(gè)端口的電平狀況。以一個(gè)字節(jié)的低三位表示H1, H2, H3位置信號(hào)的狀態(tài)，高電平為1，低電平為0，則可檢測(cè)到001到110六種狀態(tài)。111為不存在的狀態(tài)，如果出現(xiàn)此狀態(tài)，說明出現(xiàn)了故障，程序應(yīng)停止運(yùn)行。而當(dāng)檢測(cè)到000的狀態(tài)時(shí)，說明電機(jī)還未起動(dòng)，沒有轉(zhuǎn)子位置信號(hào)傳來(lái)，這時(shí)就要運(yùn)行“電機(jī)軟起動(dòng)”子程序，該子程序?qū)崿F(xiàn)了電機(jī)從靜止到具有一定轉(zhuǎn)速的過程，原理已在第三章做了詳細(xì)介紹。在軟起動(dòng)過程中，換相時(shí)間間隔應(yīng)選擇得當(dāng)，否則狀態(tài)切換后可能出現(xiàn)電機(jī)不正常起動(dòng)。根據(jù)調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)該值為電動(dòng)機(jī)最小反電動(dòng)勢(shì)周期值的一半時(shí)，電機(jī)可以順利起動(dòng)[19]。否是保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)故障標(biāo)志位=1？查表確定換相值換相輸出換相標(biāo)志位為0恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)中斷結(jié)束中斷入口 ，以給電機(jī)的三相定子繞組正確饋電，控制電機(jī)正常運(yùn)行。換相服務(wù)子程序主要是通過查表的方式，確定電機(jī)的下一個(gè)運(yùn)行狀態(tài)需要開通哪兩個(gè)三相全橋逆變電路中相應(yīng)的功率管，以給定子繞組饋電。進(jìn)入子程序后，首先要檢查電機(jī)運(yùn)行是否有故障，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行出現(xiàn)故障時(shí)，單片機(jī)的外部中斷響應(yīng)驅(qū)動(dòng)電路的故障信號(hào)，將故障標(biāo)志位置1，換相服務(wù)子程序根據(jù)故障標(biāo)志位的狀態(tài)選擇輸出正常換相信息還是跳出換相子程序，進(jìn)入故障保護(hù)子程序(故障排除后要把故障標(biāo)志位置0)。當(dāng)正常換相結(jié)束后，要把換相標(biāo)志置零。 A/D采樣模塊ATmega8的A/D轉(zhuǎn)換功能具有下列特點(diǎn):.4路10位精度+2路5位精度A/D通道.65微秒～250微秒的轉(zhuǎn)換時(shí)間.每秒最大為15kSPS的采樣速率.連續(xù)轉(zhuǎn)換模式和單次轉(zhuǎn)換模式.ADC轉(zhuǎn)換完成自動(dòng)觸發(fā)中斷本系統(tǒng)涉及到A心轉(zhuǎn)換的參量有電池電壓值、車速給定值、電流反饋值和位置檢測(cè)值。每次A心轉(zhuǎn)換結(jié)束后，單片機(jī)都將把采樣后經(jīng)過轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)放入相應(yīng)的存儲(chǔ)單元，供其他子程序，如轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)、電機(jī)運(yùn)行保護(hù)等有關(guān)子程序運(yùn)算調(diào)用。由于ATmega8的AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度比較高，可以采取一些數(shù)字濾波算法來(lái)減少隨機(jī)干擾、誤檢或者傳感器不穩(wěn)定而引起的失真，以得到較為精確和穩(wěn)定的轉(zhuǎn)換結(jié)果。本設(shè)計(jì)采用中值濾波法，即連續(xù)采樣6個(gè)數(shù)據(jù)，去除最大最小值，然后把剩下的4個(gè)數(shù)據(jù)求平均值，所得的值就是此次轉(zhuǎn)換的最終數(shù)據(jù)[7]。YNY開始現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)最小值賦0FFFH最大值賦0A ／D采樣，次數(shù)加1大于最大值小于最小值累加求和次數(shù)﹥6求平均值恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)返回最小值交換最大值交換YNN本設(shè)計(jì)將速度環(huán)設(shè)為外環(huán)，電流環(huán)設(shè)為內(nèi)環(huán)， [6]。電流調(diào)節(jié)器是控制系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，其設(shè)計(jì)要求應(yīng)滿足電流環(huán)的頻率要求，實(shí)現(xiàn)電流的快速準(zhǔn)確跟蹤。本系統(tǒng)中，采樣電流玩是從位于橋式逆變電路近地端的采樣電阻上檢測(cè)到的。采樣電阻上的電壓經(jīng)過單片機(jī)上的ADC單元，將電流的模擬信號(hào)數(shù)字化。電流調(diào)節(jié)器是在ADC中斷服務(wù)子程序中實(shí)現(xiàn)的。電流采樣的時(shí)間設(shè)定在開關(guān)管導(dǎo)